页岩气国内外研究现状及存在问题.docx
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页岩气国内外研究现状及存在问题
页岩气国内外研究现状及存在问题
前言
页岩气是当今油气藏勘探的前沿领域，也是新近石油地质研究的热门课题。
有的学者甚至用“炙手可热”来形容目前美国页岩气的勘探开发热潮。
美国页岩气的勘探与开发已完全商业化运作，其勘探开发技术处于绝对领先地位，除加拿大外，中国及其他国家才刚刚起步，下面简单回顾一下美国页岩气历史，美国第一口商业性页岩气井是由WiliamHart于1825年在纽约弗雷多尼亚开钻，这也是世界上第一口商业性页岩气井，位于泥盆纪页岩中，1970年代晚期至1980年代早期，美国开始实施页岩气工程（EGSP），开始了大量的地质评价工作和钻探工作，1981年，Barnett页岩第一口发现井开钻，并注入CO2、N2聚合物流体，1991年，在Barnett页岩中钻探第一口水平井，1997年，聚合物注入持续减少，而首次采用水力压裂造缝，1998年Devon能源公司在特克萨斯东部试用压裂技术，2001年首次运用微震作构造裂缝图，2003年，Barnett页岩页岩气获得成功，这得益于水平钻井和压裂技术。
2003年，实施了穿过Marcellus页岩至志留系地层的钻探，未取得有效成果，但表明Marcellus很有希望，果然在2004年，Marcellus页岩取得圆满成功，美国页岩气产量快速增长。
据分析中国页岩气具有良好的勘探前景,中国对页岩气的勘探研究也在逐步展开。
在四川、鄂尔多斯、渤海湾、松辽、江汉、吐哈、塔里木和准噶尔等盆地均有页岩气成藏的地质条件。
随着我国国民经济的快速发展，对石油天然气的需求日益增长，据专家估计，以我国目前的经济发展态势，10年后我国对油气的年消费将由目前的4亿多吨增加到6--8亿吨，油气进口的大幅提高存在诸多风险，因此，要做好立足国内的充分准备，而依靠常规油气藏的勘探难以满足需求，非常规油气特别是煤层气、页岩气的勘探将会日益重要，2009年美国的页岩气产量已经突破1000亿方，极大地增加了我国寻找页岩气的信心。
一方面是为了满足国民经济快速发展对油气需求的需要，另一方面，也是为了探寻适合川西的页岩气研究方法，我们进行了本次有关页岩气的国内外调研。
1.页岩气勘探开发现状
1.1页岩气概念
1.1.1非常规油气藏与连续性油气藏
非常规油气藏指目前还不能完全用常规方法技术进行勘探、开发与加工的部分油气资源，主要根据一些特殊的标准来划分，如最大基质渗透率界限、非常规技术的使用以及开采的困难程度（例如极地地区或者深水地区），这些标准随着油气工业的进步而变化，并且不同的人对非常规理解不同，因此其主观性比较强。
鉴于此，美国地质调查局在1995年美国油气资源评价中引入了“连续型”油气藏的概念。
将油气藏分为常规圈闭油气藏和非常规圈闭油气藏,非常规圈闭油气藏又分为连续型油气藏与非连续型油气藏。
常规圈闭油气藏指单一闭合圈闭油气聚集,圈闭界限清楚,具有统一油气水边界与压力系统。
“连续型”非常规油气藏与常规圈闭油气藏本质区别在于圈闭界限是否明确、范围是否稳定、是否具有统一油气水界面与压力系统;也可以说前者是“无形”或“隐形”圈闭,以大规模储集体形式出现,后者是“有形”或“显形”圈闭,圈闭边界明确（邹才能，2009）。
美国地质调查局在2006年提出深盆气（deep-basingas）、页岩气（shalegas）、致密砂岩气（tightgassands）、煤层气（coal-bedmethane）、浅层砂岩生物气（shallowmicrobialgassands）[8-11]和天然气水合物（naturalgashydrate,methaneclathrate）等6种非常规圈闭天然气（unconventionalgas）,统称为连续气（continuousgas）。
1.1.2粘土岩、泥岩、页岩、黑手页岩、碳质页岩、油页岩、硅质页岩、贴纸页岩、钙质页岩
粘土岩：
以粘土矿物为主（含量大于50％）的泥岩。
泥岩：
碎屑岩中颗粒粒径小于0.005mm（十进制）或小于0.0039mm（2的几何级数，1/256）的沉积岩，一般主要由粘土、石英、长石及钙质组成。
页岩：
页理发育的泥岩（页理是鳞片状的粘土矿物在压紧过程中，平行排列而成的）。
虽然泥岩和页岩在岩性特征上有所不同，但国外及台湾研究者习惯使用Shale（页岩）这一术语；而大陆研究者则倾向于使用mudstone（泥岩）这个术语。
针对这种情况，国内研究者通常采用“泥页岩”这一术语来表达这类泥质岩类，没有严格区分页岩和泥岩。
其实国外也有这种类似情况，如美国著名的Barnett页岩，有的学者认为是“泥岩”，但一般都称之为页岩，其所具有的气藏被命名为裂缝性页岩气藏。
常见的页岩有如下几种：
黑色页岩：
含有较多有机质与细粒、分散状黄铁矿、菱铁矿的页岩，层理一般较好。
有机质含达2~10%或更高，很少化石，常据极薄层理，外貌有时与炭质页岩相似，区别在于黑色页岩不染手。
黑色页岩一般形成于温湿气候、缺氧、富含H2S的较闭塞海湾和湖泊的较深水等环境的滞留水体中，是形成页岩气的最主要的页岩类型。
黑色页岩出露地表后，常因其中的黄铁矿风化而使岩石表面及解理裂隙染成淡红色。
炭质页岩：
一种含有大量呈西分散状均匀分布与岩石中的已碳化的有机质的页岩。
黑色、染手，灰分大于30%，一般很难作燃料。
常含有大量植物化石，是湖泊、沼泽环境下的产物，常见于煤层的顶板与底板。
油页岩：
含一定数量的干酪根（>10%），颜色以黑棕色、浅黄褐色等为主，一般说来，含有机质愈多，其颜色也愈深。
其特点是比一般的页岩轻，而且有弹性，易燃，并发出沥青味及流出油珠。
油页岩属于页岩的范畴，但具有腐泥煤的特征，也有人把它叫做“高灰分的腐泥煤”。
油页岩主要是闭塞海湾或湖泊环境中由低等植物如藻类及浮游生物的遗体死亡后，在隔绝空气的还原条件下形成的，常与生油岩系或含煤岩系共生。
硅质页岩：
一般页岩中的SiO2平均含量约58%，硅质页岩中由于还含有较多的玉髓、蛋白石等，SiO2含量在85%以上，并常保存有丰富的硅藻、海绵和放射虫化石，所有一般认为硅质页岩中的硅质来源于生物有关，有的也可能与海底喷发的火山灰有关。
铁质页岩：
含少量铁的氧化物、氢氧化物等，多呈红色或灰绿色，在红层和煤系地层中较常见。
钙质页岩：
含CaCO3，但不超过25%的页岩。
自然界中，页岩分布十分广泛，世界范围内页岩（包括细粒黏土沉积）约占沉积岩的60%，估计页岩气资源可能是煤层甲烷或致密砂岩气的2倍（Hambli，2006），因此页岩气具有很大的勘探前景。
1.1.3页岩气的定义
据J.BCurtis（2002）对页岩气的描述性界定，认为页岩气系统基本上是由生物成因气、热成因气或生物—热成因气两者混合构成的连续型天然气聚集，并以大面积含气、隐蔽圈闭机理、可变的盖层岩性和较短的烃类运移距离为特征。
页岩气既可以是储存在天然裂缝和粒间孔隙内的游离气，也可以是干酪根和页岩颗粒表面的吸附气，或者是干酪根和沥青中的溶解气。
页岩气与其它类型气藏相比存在较大差异，其成因多样，赋存方式复杂，成藏机理特殊。
据据J.B.Curtis（2002）、张金川等（2004）国内外学者对页岩气的研究和描述，我们将页岩气系统内涵及主要属性归纳如下：
（1）在页岩气藏中,天然气不仅存在于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩甚至砂岩地层中,为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果,表现出典型的“原地”成藏特征，页岩既是烃源岩，又是储集层或盖层，表现为多元特征。
也就是说,页岩气是存在于富含有机质的泥页岩层系中的天然气,而不仅是局限在某一单纯的富含有机质泥页岩层中的天然气。
（2）由生物成因气、热成因气或生物－热成因气两者混合构成的连续型非常规天然气聚集；
（3）由于储层特殊，天然气以多种相态存在，但以吸附和游离状态为主，少量为溶解气；其中吸附作用是页岩气的重要机理之一；
（4）以储层大面积含气、隐蔽圈闭机理、致密低孔渗的储层、可变的盖层岩性、零距离和短距离烃类运移、无明显气水界面为特征；
（5）从某种意义上讲页岩气藏形成是天然气在源岩中大规模滞留的结果，表现为典型的自生自储或自封盖的“原地”成藏模式。
1.2世界页岩气勘探开发现状
页岩气的勘探开发历史悠久，已有近200年的历史，目前正迈入快速发展期。
据统计,在全世界142个盆地中存在超过688处的页岩气资源,目前已有12处（主要位于北美地区）得到开发（Jarvie，2008）。
其主要分布在北美、中亚和中国、拉美、中东和北非、俄罗斯等地区,预计全球资源量约为456×1012m3（表1-1）,约为当前世界常规天然气探明总储量的2.46倍。
2011年美国能源信息署发布研究报告对除美国以外的全球14个区域、32个国家的48个页岩气盆地和近70个页岩气储层进行了资源评价,指出全球页岩气技术可采储量将超过187.40×1012m3，而中国、美国、阿根廷、墨西哥和南非的页岩气技术可采储量居世界前五位,分别为36.08×1012m3、24.39×1012m3、21.90×1012m3、19.27×1012m3和13.73×1012m3。
目前,在美国、加拿大、法国、德国、新西兰、澳大利亚、匈牙利、波兰、瑞典、英国、印度和中国等诸多国家,都发现相当规模的页岩气储量,而美国、加拿大、中国等是世界上页岩气勘探开发程度较高或资源量较大的国家（郑军卫，2011）。
1.2.1美国页岩气的勘探开发现状
美国页岩气资源丰富,在其本土的48个州均有分布。
据美国能源信息署2011年最新资料,美国页岩气技术可采储量为24.39×1012m3。
目前,美国主要有5套具有商业开发价值的页岩气系统,即:
FortWorth盆地密西西比系Barnett页岩、Appalachian盆地泥盆系Ohio页岩、Michigan盆地泥盆系Antrim页岩、Illinois盆地的泥盆系NewAlbany页岩和SanJuan盆地白垩系Lewis页岩。
其中,FortWorth盆地以密西西比系Barnett页岩为储层的NewarkEast页岩气田,勘探开发程度较高,目前产量已超过300×108m3,已是美国第二大气田（表1-2）。
美国页岩气工业发展过程如下：
表1-1世界各地区非常规天然气资源量预测表（据Rongner,1997;Kawata和Fujita,2001）
地区
页岩气
（×1012m3）
煤层气
（×1012m3）
致密气
（×1012m3）
合计
（×1012m3）
页岩气比例（%）
北美
108.7
85.4
38.8
232.9
47
拉丁美洲
59.9
1.1
36.6
97.6
61
中欧+西欧
15.5
7.7
12.2
35.4
44
前苏联
17.7
112
25.5
155.2
11
中东+非洲
79.9
1.1
45.5
126.5
63
中亚+中国
99.8
34.4
10
144.2
69
太平洋地区
65.5
13.3
20
98.8
66
其他亚太地区
8.9
1.1
21
31
29
全世界
456
256.1
209.6
921.7
49
转引自《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会，2011
表1-2美国天然气田产量排名（据Kuuskras,2006）
排名
气田名称
盆地/州
天然气类型
产量（107m3/d）
2002年
2003年
2004年
1
SanJuan产区
SanJuan,NM/CO
煤层甲烷、致密砂岩气
10.9
11.5
11.2
3
NewarkEast
FortWorth,TX
页岩气
1.7
2.2
3.1
4
Wyodak/BigGeorge
PowderRiver,WY
煤层甲烷
2.5
2.2
2.5
5
Jonah
GGRB,WY
致密砂岩气
1.7
2.0
2.0
7
Wattenberg/DJ盆地
Denver,CO
致密砂岩气
1.4
1.4
1.4
9
Carthage
EastTexas,TX
致密砂岩气
1.4
1.4
1.4
10
Antrim
Michigan,MI
页岩气
1.4
1.1
1.4
11
S.Piceance产区
Piceance,CO
致密砂岩气、煤层甲烷
0.8
1.1
1.7
（1）纽约市西部Chautauagua县，产层为阿帕拉契亚盆地泥盆系Dukirk页岩，井深仅8米。
（2）1926年在阿巴拉契亚盆地泥盆系成功地实现了页岩气的商业性开发，东肯塔基和西弗吉尼亚气田成为当时世界上最大气田。
（3）20世纪70年代，美国能源部（DOE）联合其他高等院校和科研院所实施了东部页岩气工程项目（主要研究和开发地区是阿巴拉契亚、密执安和伊利诺斯盆地）。
80年代初，美国天然气研究所又对东部页岩气进行了系统研究，工作重点是对页岩气的资源量进行了较详细的评价。
（4）在国家有关政策扶助、天然气价格、开发技术进步等因素的推动下，20世纪70年代中期美国页岩气步入规模化发展阶段，70年代末期页岩气产量为1.96×108m3；2000年美国五个主要页岩气产区生产井达到28000口，页岩气年产量约122×108m3。
（5）进入新世纪后，美国页岩气产量大幅度增长，处于快速发展阶段，钻井数量和产量不断攀升（图1-1、1-2）。
2007年页岩气生产井达到42000口，年产量接近450×108m3。
约占美国天然气总产量（5596.57×108m3）的8％。
其中沃斯堡盆地Barnett页岩成为美国最大的页岩气产区，2007年约有8500口（其中水平井4982口）页岩气生产井，年产量达305.8×108m3，占美国页岩气产量的71%，其中1981年发现的NewarkEast页岩气田已跻身美国十大气田行列（表1-2），成为美国标志性页岩气田。
2007年该气田产量达到217×108m3。
图1-1美国五个主要页岩气产区年产量递增状况
（6）美国页岩气产层主要为中生界－古生界地层（K、C、D），勘探开发工作重点集中于阿巴拉契亚、密执安、伊利诺斯、沃斯堡和圣胡安、阿科马等盆地的页岩系统中。
目前正向中西部和落基山地区延伸和扩展。
逐渐形成了全面勘探开发页岩气的格局，产页岩油气盆地已达到18个（图1-3）。
其中8个是含页岩油的区带。
另外，由于页岩气勘探开发的巨大成功，越来越多的美国油气开发商投入到页岩气勘探开发中。
2005年美国页岩气生产商只有23家，2006年增至39家，至2007年美国页岩气生产井近4.2×104口,参与页岩气开发的石油企业达到64家。
2009年美国页岩气产量接近1000×108m3,超过我国常规天然气的年产量。
目前,美国拥有的页岩气生产井数已接近10×104口,页岩气已成为美国投入工业性勘探开发的三大非常规类型天然气（致密砂岩气、煤层气和页岩气,占美国天然气年产量的40%）之一。
据美国能源部能源信息署报告预测,至2030年,以页岩气为代表的美国非常规气产量将超过3681×108m3,占美国天然气总产量的一半以上。
（7）美国已发现埋深最浅的工业性页岩气埋深仅为182m，平均深度均为1200m，通常介于450～2300m之间。
目前有的地区勘探深度不断向下延伸，如特拉华盆地，其深度已超过5000多米，有的接近6000米（图1-4）。
（8）
（9）
图1-3美国已发现含油气的页岩区
图1-4美国页岩气区平均钻井深度
（10）美国页岩气勘探与其他非常规类型气藏相比，勘探成本并不昂贵，其钻井费用往往随埋深加大呈成倍增长趋势（表1-3）。
如在特拉华盆地的Barnett页岩，由于埋深达到5400多米，钻完井成本剧增，前期的钻井费用高达1500万美元。
最近几年，随着技术进步等多方面原因已降至800万美元。
表1-3美国页岩气储集层深度与钻井成本比较
页岩气储集层
埋深（m）
钻井成本（1000美元）
NewAlbany组和Antrim组
76～610
125～250
Ohio组和Lewis组
914～1524
250～300
沃斯堡盆地Barnett组和阿科马盆地Woodford组
1829～2743
450～600
特拉华盆地Barnett组
＞5000
8000（包括完井费用）
1.2.2加拿大页岩气勘探开发现状
近年来，加拿大紧随美国之后，对页岩气进行研究和勘探，最近（2008）已见有商业性开发的报道。
加拿大页岩气资源也十分丰富,且资源分布面积广、涉及地质层位多,主要分布在其西部地区的不列颠哥伦比亚省东北部的HornRiver盆地泥盆系Muskwa页岩气聚集带和魁北克省奥陶系Utica页岩气聚集带。
据世界能源委员会估计（2010）,加拿大西部2个主要盆地（HornRiver盆地和Montney深盆地）的页岩气资源量为39.08×1012m3,可采资源量约为6.80×1012m3。
据有的报道称：
2003年开始页岩气开采，2005年产量已超过8.5×108m3。
加拿大页岩气勘探开发主要表现在以下几个方面：
（1）加拿大对页岩气的研究和勘探主要集中在西部沉积盆地（西加盆地的不列颠哥伦比亚东部和阿尔伯达地区）的上白垩统、侏罗系、三叠系和泥盆系（图1-5）。
预测该区页岩气资源量约为24.3×1012m3（860tcf）。
目前西加盆地油气勘探重点已转向页岩气的勘探与开发，并已有多家公司加盟。
（2）对东部斯科廷省和不伦瑞克省若干盆地的密西西比系霍顿组湖相页岩烃源岩作了研究和评价。
认为霍顿组可形成有效页岩气和页岩油的成藏组合。
其甲烷含量为70～300立方英尺/吨，成熟度0.7～2.5%,达到成熟到高成熟、过成熟阶段。
（3）2004年，加拿大页岩气区域评价列入能源发展目标。
截止2006年，不列颠哥伦比亚油气委员会已核准的白垩系和泥盆系试验区达到22个。
据估算，加拿大页岩气资源超过28.3×1012m3（1000tcf）。
图1-5 加拿大页岩气主要勘探区
（4）在西加盆地，位于不列颠哥伦比亚省中部的Montney页岩、Muskwa页岩已获得商业天然气产量，有的已投入试采。
Muskwa页岩气井的最初日产量为5.7×104m3～24.9×104m3（200×104ft3/d～880×104ft3/d），表现为压裂级数越多，产量越高。
估算的最终产量为1.1×108m3～1.7×108m3/平方英里。
位于魁北克省的Utica页岩和Corraine页岩只有少数气井进行了产量测试，其中一口井的初产量为2.83×104m3/d（100×104ft3/d）。
业内人士认为如果采用水平井和多级压裂技术，将获得更高的产能。
估算该页岩组的可采天然气储量可达到1.13×1012m3（40tcf）。
与美国相比,加拿大页岩气开发还处于初级阶段,大规模的商业性开采还尚未进行。
但目前已有许多公司投入大量资金,应用先进技术在阿尔伯特、不列颠哥伦比亚、萨斯喀彻温省、魁北克、安大略、新斯科舍等地区开展页岩气资源勘探,页岩气将有望成为加拿大重要的天然气资源之一。
1.2.3中国页岩气勘探开发现状
我国页岩气资源也很丰富,在四川盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地、江汉盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地等含油气盆地及其周缘,浅埋的暗色（泥）页岩大面积发育,有机碳含量高,具有页岩气成藏的有利地质条件。
同时,在我国南方寒武系、志留系、二叠系等古老地层分布区的页岩气勘探前景亦不可忽视。
张金川（2009）等据现有资料保守估算,我国页岩气资源量约为26×1012m3。
而美国能源信息署（2011）预计的数字则更大,其通过对我国四川盆地寒武系筇竹寺组和志留系龙马溪组以及塔里木盆地的寒武系页岩和奥陶系页岩的分析认为,我国页岩气技术可采储量超过36.08×1012m3。
（1）页岩气在中国并不新鲜，自1667年第一次在四川盆地的邛1井发现天然气以来，就不断有页岩气的发现，尤其是20世纪60年代以来，已在松辽、渤海湾、四川、鄂尔多斯、柴达木等几乎所有陆上含油气盆地中发现了页岩气或泥页岩裂缝油气藏。
但迄今为止，我国尚未对页岩气资源进行过全面评估和开展以页岩气为勘探目标的勘探开发工作。
（2）2004年以来，中国石油勘探开发研究院和中国地质大学借鉴国外页岩气成功勘探开发经验，开展了我国页岩气资源调查与成藏地质条件评价与研究，查阅、收集了大量国外页岩气勘探开发的资料和文献。
中国石化勘探开发研究院也先后在2003年和2007年翻译了近20万字有关页岩气的资料。
对促进我国页岩气的研究起到了积极的推动作用。
（3）2006年中国石油对外合作经理部与美国页岩气开发专家在北京举办了“页岩气研讨会”并组织开展了“中国页岩气资源评价与有利勘探领域优选”研究。
（4）中国石油与国外具有页岩气勘探开发经验的公司合作开展了联合研究。
如2007年与美国新田公司签署了“威远地区页岩气联合研究”协议，并与沃斯堡盆地页岩气生产最具实力的Devon公司也签署了联合研究合同。
同时在四川宜宾地区实施了一口页岩气试探井，设计井深200米。
该井于2008年11月完井。
（5）由国土资源部油气资源战略中心组织的“全国油气资源战略选区调查与评价国家专项”第二批项目中设立了“中国重点地区页岩气资源潜力及有利区带优选”项目。
研究工作由中国石油勘探开发研究院和中国地质大学（北京）联合承担。
该项目已于2009年启动，拟于2013年完成。
另外，页岩气的工作也得到了国家自然科学基金和国家重点基础研究发展规划（973）项目联合资助。
去年8月，国土资源部在重庆綦江布署了一口页岩气探井，钻探目的层为下古的志留系和寒武系。
（6）中石化也在积极行动，布署和开展有关页岩气的研究和勘探工作，并于2009年6月下发了“中国石化南方页岩气勘探选区登记原则、评价方法及标准”（征求意见稿）。
于2009年7月在江西九江召开了“中石化页岩气评价选区汇报会”，会上有关单位介绍了评价选区工作开展情况。
西南局根据总公司的布署对川西坳陷（中段）和其他所属区块（井研－犍为，资阳丹山－东峰场、阆中－南部）有利页岩气发育区进行了初步的选区和评价工作。
（7）2009年10月,国土资源部油气资源战略研究中心在重庆市綦江县启动了中国首个页岩气资源勘查项目,正式开始页岩气的勘探开发。
2009年11月中旬，美国总统奥巴马访华，使中美两国在能源领域合作再度升温。
其中也涉及到中美两国页岩气勘探开发的合作问题。
这表明，页岩气已引起我国最高领导层和有关部门的高度重视。
2009年11月下旬,国土资源部油气资源战略研究中心、中国地质大学联合在重庆市彭水县连湖镇启动了国内第一口页岩气勘探井。
（8）2010年8月,我国首个专门从事页岩气开发的科研机构——国家能源页岩气研发（实验）中心在中国石油勘探开发研究院廊坊分院揭牌。
1.2.4世界其它地区页岩气勘探开发现状
页岩气的勘探开发自2005年以来，逐渐由北美扩展到了全球，目前世界各国均在着手进行页岩气研究、页岩气资源潜力评价和勘探开发先导试验。
2007年欧洲启动了由行业资助、德国国家地质实验室协助的为期6年的欧洲页岩气项目（GASH），期望通过该项目的实施，收集有关欧洲地区的页岩样品、钻井测试和地震资料，建立欧洲黑色页岩数据库，对欧洲页岩气资源潜力进行评价与有利盆地优选。
目前，在5个盆地发现了富有机质黑色页岩，初步估算页岩气资源量至少在30×1012m3以上（Kuuskraa，2009）。
埃克森美孚、丹文、道达尔、康菲、壳牌等至少40家企业在欧洲寻找页岩气。
挪威石油（
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